摘要：低溫多效蒸餾（LT-MED）海水淡化的換熱過(guò)程主要是蒸發(fā)和冷凝，通過(guò)數(shù)量眾多的換熱管完成熱量交換，管外側(cè)海水受熱蒸發(fā)濃縮，管內(nèi)側(cè)蒸汽冷卻形成凝結(jié)淡水。換熱管是低溫多效海水淡化的核心部件，其成本約占低溫多效海水淡化裝置的20%～40%，對(duì)換熱管的要求是高傳熱性、高阻垢性、高耐腐蝕性。截止到2015年，在國(guó)產(chǎn) LT-MED海水淡化裝置中，除換熱管束的上三層使用0.5mm 鈦管外，其余換熱管主要為0.7mm鋁黃銅管。然而，鋁黃銅管在海水中容易受到氯離子的侵蝕，造成很大的安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失。因此，換熱管的選用分析非常必要。

關(guān)鍵詞：低溫多效蒸餾（LT-MED）;0.7mm鋁黃銅管;0.4mm薄壁鈦管;對(duì)比分析

引言：

目前，我國(guó)是聯(lián)合國(guó)公認(rèn)的世界13個(gè)最貧水國(guó)家之一。世界性的淡水危機(jī)，為海水淡化技術(shù)發(fā)展提供了廣闊的市場(chǎng)，海水淡化技術(shù)的應(yīng)用成為解決淡水資源危機(jī)的有效方法。低溫多效蒸餾（LT-MED）是20世紀(jì)70年代末由以色列IDE公司開(kāi)發(fā)的[1]，是目前主流海水淡化技術(shù)之一。因其具有產(chǎn)品水水質(zhì)好、預(yù)處理簡(jiǎn)單、腐蝕和結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)小、單機(jī)制水能力大以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)，得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，市場(chǎng)占有率逐步提高。

2015年6月，國(guó)產(chǎn)1.2萬(wàn)噸級(jí)低溫多效海水淡化裝置在舟山電廠投運(yùn)。該套海水淡化裝置共6效蒸發(fā)器，各效蒸發(fā)器換熱管束上層3排選用0.5mm鈦管，其余均采用0.4mm鈦管，而非常規(guī)的0.7mm鋁黃銅換熱管。這是我國(guó)首臺(tái)換熱管為0.4mm薄壁鈦管的萬(wàn)噸級(jí)低溫多效海水淡化裝置，其對(duì)0.4mm薄壁鈦管在國(guó)產(chǎn) LT-MED裝置的推廣具有重要意義。

本文引用舟山電廠低溫多效海水淡化裝置相關(guān)參數(shù)，從振動(dòng)、強(qiáng)度、換熱系數(shù)、腐蝕、經(jīng)濟(jì)性對(duì)0.7mm鋁黃銅管和0.4mm薄壁鈦管進(jìn)行對(duì)比分析，以供相關(guān)人士參考。

一、振動(dòng)對(duì)比分析

（1） 換熱管參數(shù)選取

蒸發(fā)器內(nèi)部換熱管的選取，不但要考慮到海水的腐蝕及沖刷，同時(shí)也要考慮因換熱管材質(zhì)或壁厚的不同，其本身的固有頻率也會(huì)不同。換熱管選取具有代表性的0.7mm鋁黃銅管和0.4mm薄壁鈦管進(jìn)行分析比較。

（2）蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)介紹

舟山電廠蒸發(fā)器1-4效布管方式相同，5-6效布管方式相同。由于1-4效蒸汽流量大換熱管支撐板間距比較大，所以針對(duì)1-4效結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析。

1-4效蒸發(fā)器換熱管項(xiàng)目本身采用的是上三排為標(biāo)號(hào)2類型管子，其余為1號(hào)類型管子，管長(zhǎng)均為9720mm，采用正三角形布管方式，管間距S=0.033m，支撐管板數(shù)量為5塊，跨距L為1.6m。

（3）換熱管固有頻率的計(jì)算

影響換熱固有頻率的因素非常多，包括生產(chǎn)和安裝工藝影響及在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行條件下溫度應(yīng)力的影響，在不考慮外界因素的影響條件下，根據(jù)換熱管本身的參數(shù)依據(jù)GB151計(jì)算方法計(jì)算固有頻率。

GB151-1999《鋼制管殼式換熱器》附錄E“管束振動(dòng)”一節(jié)給出了完整的管束固有頻率的計(jì)算方法。此方法的計(jì)算特點(diǎn)是：將換熱管視為兩端固定，中間簡(jiǎn)支的多跨連續(xù)梁，可計(jì)算等跨直管、非等跨直管的一階、二階固有頻率，并可考慮軸向力對(duì)固有頻率的影響。根據(jù)蒸發(fā)器本體結(jié)構(gòu)，可以將換熱管視為兩端固定，中間簡(jiǎn)支的六段等跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)。同時(shí)由于換熱管外部海水為降膜蒸發(fā)，對(duì)換熱管擾動(dòng)比較小，蒸汽流速比較大，故只考慮蒸汽流對(duì)換熱管的影響。以一效工況為計(jì)算模型來(lái)分析。

計(jì)算公式為：

根據(jù)一效工況進(jìn)汽溫度65℃，蒸發(fā)室溫度為61.9℃， 蒸汽飽和流速取30-40m/s來(lái)考慮得出以下數(shù)據(jù)表：

根據(jù)以上公式經(jīng)過(guò)計(jì)算得出以下結(jié)果：

根據(jù)以上計(jì)算管子的固有頻率可知，在不改動(dòng)蒸發(fā)器外部結(jié)構(gòu)的情況下，0.7mm厚的鋁黃銅管和0.4mm厚的鈦管的固有頻率是在同一范圍內(nèi)。

（4）驗(yàn)證換熱管振動(dòng)

根據(jù)換熱管振動(dòng)依據(jù)來(lái)判斷，換熱管的固有頻率只要滿足以下所有條件，就可以判定換熱管束不會(huì)發(fā)生振動(dòng)。

固有頻率fn<0.8fv或>1.2fv;共振參數(shù)Gs在非共振區(qū)即可。

由卡門漩渦頻率fv=st×V/dO

對(duì)于正三角形排列的管束，根據(jù)節(jié)徑比可查出為0.19，由一效的蒸發(fā)溫度可得62℃的飽和蒸汽密度約為0.14kg/m3，同時(shí)根據(jù)蒸汽在管束區(qū)域內(nèi)的流向的不均勻性，蒸汽的流通速度在20-40m/s之間， 計(jì)算結(jié)果為149.6-299.2Hz，由此判斷1、2號(hào)管均滿足要求。

由共振參數(shù)，一效工況下蒸汽的聲速c=451m/s，而根據(jù)布管形式得出T=0.033m，L=0.05716，從而得出計(jì)算結(jié)果Gs=0.00051，同時(shí)有L/h=7.72查圖表可知落在非共振區(qū)域。由此判斷1、2號(hào)管均滿足要求。

（5）結(jié)論

根據(jù)以上計(jì)算方法，對(duì)蒸發(fā)器換熱管振動(dòng)計(jì)算，從而做出如下結(jié)論：

在現(xiàn)有的蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)和布管方式條件下，無(wú)論是采用0.7mm的鋁黃銅管還是采用0.4mm厚度的鈦管在振動(dòng)方面都滿足要求，即在設(shè)計(jì)工況下?lián)Q熱管不會(huì)發(fā)生共振。

二、 強(qiáng)度和剛度對(duì)比分析

根據(jù)《換熱器及冷凝器用鈦及鈦合金管》GB/T3625-2007：鈦的抗拉強(qiáng)度Rm≥400MPa，規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2在275～450MPa，鈦的物理性能彈性模量E在20～100℃范圍內(nèi)為108～102GPa。對(duì)于蒸發(fā)器負(fù)壓運(yùn)行工況，對(duì)換熱管進(jìn)行液（氣）壓試驗(yàn)沒(méi)有必要像壓力容器換熱管液（氣）壓試驗(yàn)選取過(guò)高的壓力，對(duì)于MED液（氣）壓選擇1MPa的壓力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足要求。

計(jì)算出的試驗(yàn)壓力遠(yuǎn)大于選取的試驗(yàn)壓力，說(shuō)明選取0.4mm厚的鈦管材符合液壓要求。

根據(jù)《熱交換器用銅合金無(wú)縫管》GB/T8890-1998：鋁黃銅的抗拉強(qiáng)度Rm≥375MPa。 管材液壓試驗(yàn)壓力≥6.86MPa，持續(xù)時(shí)間10s。HAl77-2物理性能的彈性模量E在20～100℃范圍內(nèi)為105GPa左右。

由上述對(duì)比可知，鈦的抗拉強(qiáng)度高于鋁黃銅的抗拉強(qiáng)度，并且0.4mm厚的鈦換熱管和0.7mm厚的鋁黃銅換熱管液壓試驗(yàn)的壓力都滿足換熱管液壓試驗(yàn)壓力的要求，兩者的彈性模量也基本相同。

三、換熱系數(shù)對(duì)比分析

對(duì)于同一換熱工況下，換熱量Q相同，換熱溫差相同，換熱系數(shù)和換熱面積成反比關(guān)系。 水平橫管降膜蒸發(fā)換熱換熱面積計(jì)算式以換熱管的外徑為準(zhǔn)計(jì)算，直徑同為25.4mm的鋁黃銅和鈦換熱管單根管的換熱面積相同。

換熱系數(shù)計(jì)算公式：

鋁黃銅和鈦的導(dǎo)熱系數(shù)分別為：。由于兩種換熱管的內(nèi)外工況相同，污垢熱阻也基本相同，為。厚度為0.7mm的鋁黃銅與0.4mm厚的鈦在相同工況下計(jì)算出的換熱系數(shù)分別為：2170，2098.5，換熱系數(shù)之比為1.03407：1，換熱面積之比為1：1.03407。

舟山電廠1-4效蒸發(fā)器原設(shè)計(jì)采用Φ25.4×0.7×9720mm的鋁黃銅換熱管51756根，5-6效蒸發(fā)器采用Φ25.4×0.7×6070mm的鋁黃銅換熱管15002根。若將上述所有0.7mm厚的鋁黃銅換熱管更換為0.4mm厚的鈦換熱管，則需要Φ25.4×0.4×9720mm的鈦換熱管53520根，Φ25.4×0.4×6070mm的鈦換熱管15514根。相比1-4效蒸發(fā)器換熱管增加了1764根，5-6效蒸發(fā)器換熱管增加了512根。

由上述計(jì)算可知，將0.7mm厚的鋁黃銅換熱管更換為0.4mm厚的鈦換熱管，從換熱角度換熱面積只增加了3.407%，面積變化很小。

四、 腐蝕情況對(duì)比分析

鈦的表面暴露在大氣或者水溶液中，立即會(huì)形成氧化膜，例如在室溫大氣中氧化膜厚度約為1.2～1.6m，并隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增厚，70天增厚到5nm，545天以后氧化膜厚度逐漸增加到8～9nm。[2]所以在制造裝配過(guò)程中對(duì)鈦材表面氧化膜損傷，鈦材表面會(huì)很快與氧氣化合形成新的氧化膜。鈦對(duì)氯離子也具有很強(qiáng)的抗腐蝕性，在海水中，銅的腐蝕率為0.05mm/年，而鈦的腐蝕率僅為0.003mm/年，因此鈦具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可減少腐蝕裕量;同時(shí)由于不需要防腐涂料，可簡(jiǎn)化工藝及降低成本。

五、 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

目前我國(guó)已經(jīng)形成了成熟的鈦材制造、加工技術(shù)，大部分鈦材無(wú)需依賴進(jìn)口。單從質(zhì)量上進(jìn)行核算，鈦管價(jià)格是銅管的數(shù)倍。若考慮實(shí)際應(yīng)用，鈦管的厚度比銅管要薄，并且鈦管的密度僅為銅管的1/2。[3]舟山電廠經(jīng)過(guò)計(jì)算，0.4mm薄壁鈦管和0.7mm鋁黃銅換熱管價(jià)格在低溫多效海水淡化裝置應(yīng)用上價(jià)格基本相當(dāng)。但是，鈦管在綜合性能方面具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，換熱管作為設(shè)備的核心部件，換熱管的使用壽命直接決定了蒸發(fā)器的維修頻率和維修及維護(hù)成本，對(duì)于鋁黃銅換熱管來(lái)說(shuō)，鈦換熱管的使用年限明顯更長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)對(duì)使用周期內(nèi)的運(yùn)行成本核算實(shí)際上是降低了成本。

六、結(jié)論

通過(guò)以上對(duì)比分析，0.4mm薄壁鈦管作為換熱管應(yīng)用在低溫多效海水淡化裝置中，從振動(dòng)、強(qiáng)度、換熱系數(shù)、腐蝕、經(jīng)濟(jì)性都比0.7mm鋁黃銅管更具有優(yōu)勢(shì)。隨著中國(guó)沿海地區(qū)淡水需求的日益增加，低溫多效海水淡化工業(yè)作為海水淡化工業(yè)的龍頭必將成為我國(guó)的一項(xiàng)新興產(chǎn)業(yè)。由于近年來(lái)鈦材價(jià)格大幅下滑，使得鈦材料費(fèi)在整個(gè)低溫多效海水淡化裝置所占比重也大幅下滑，因此0.4mm薄壁鈦管作為換熱管在低溫多效海水淡化工業(yè)中應(yīng)用將有很廣闊的市場(chǎng)前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]AL-SHAMMIRI M.Multi-effect Distillation Plants：State of the Art[J].Desalination，1999，126：45-59.

[2] 趙斌.鈦材在低溫多效海水淡化工業(yè)中的應(yīng)用[J].企業(yè)實(shí)踐，1673-1069（2016）25-237-2.

[3]紀(jì)騰飛.鈦在海水淡化領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].化工裝備技術(shù)，10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.02.003.

作者簡(jiǎn)介：程愛(ài)勇（1986.01-），男，漢族，浙江省舟山市，大學(xué)本科學(xué)歷，職稱：工程師，國(guó)能浙江舟山發(fā)電有限責(zé)任公司，研究方向：環(huán)?；瘜W(xué)